Kaltes Fügen
Anwendungsorientierte Forschung in Ilmenau
- Feinstruktur einer Nanofoil® (Quelle: Fachgebiet Fertigungstechnik, TU-Ilmenau)
von Alexander Kremer, Tobias Woidtke und Daniel Bochnitschek
Am Institut für Fertigungstechnik tüfteln die Ingenieure an neuen, innovativen Fügeverfahren auf Nanobasis. Bisherige Ergebnisse sind viel versprechend und bereits praxistauglich, doch bleiben viele neue Anwendungsgebiete zu erschließen. Ziel des von der AiF geförderten Projekts ist, die bereits kommerziell erhältlichen Technologien weiterzuentwickeln.
Das Fügen metallischer Gegenstände ist meistens, wie zum Beispiel bei Schweiß- und Lötvorgängen, mit einem hohen Bedarf an Hitze verbunden. Will man einen Kühlkörper auf einen Hochleistungschip montieren, um somit eine höhere Wärmeleitung als bei den in der Massenproduktion verwendeten Wärmeleitpasten zu erreichen, kommt man um einen hitzeintensiven Fügevorgang nicht herum. Jedoch sind besonders Mikrochips was Hitze angeht sehr empfindlich und ein Lötvorgang an ihrer Oberfläche würde sie zerstören.
Um diesem Problem zu begegnen, ist es notwendig, die erwähnten negativen Begleiterscheinungen des Lötens zu umgehen. Temperaturspitzen sollten vermieden, die Erhitzung des Lots müsste auf der Fläche gleichmäßig verteilt erfolgen und der Werkstoff sollte, wenn überhaupt, so kurz wie möglich erhitzt werden müssen.
Nicht nur bei dem Fügen wärmeempfindlicher Bauteile kämen die Vorteile eines solchen "kalten Lötens" zum tragen: Wenn zum Beispiel zwei Materialien mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung verbunden werden sollen, können bei dem Abkühlen an der Lötstelle Risse entstehen. Des Weiteren verändern bestimmte Werkstoffe bei ungleichmäßiger und vor allem hoher Erhitzung - was bei Löt- und Schweißvorgängen nicht zu vermeiden ist - ihre Eigenschaften bezüglich Stabilität und Elastizität.
-Etablierte Fügeverfahren stoßen an ihre Grenzen-
Die Methode des Thermitschweißens, die mit einer gleichmäßigen, jedoch in der Temperatur weitgehend unkontrollierbaren Erhitzung der Lötstelle arbeitet, wird seit langem beim Zusammenfügen von Eisenbahngleisen angewandt. Die Lötstelle wird mit einem Pulvergemisch aus Eisenoxid und Aluminiumpuler (Partikel im Mikrometerbereich) versehen, welches sich - bei entsprechender Erhitzung - in einer exothermen Reaktion zu Aluminiumoxid und Eisen verbindet. Die auftretende Reaktionswärme genügt dann, um die Schienenenden anzuschmelzen und schließlich durch Druck zu verbinden.
Neue Fügetechnologien für feinstrukturierte Werkstoffe, die aufgrund der bei bisher üblichen Verfahren auftretenden Gefügebeeinflussung nicht zusammengefügt werden konnten wurden bereits entwickelt. Ein Beispiel dafür sind Titanlegierungen, bei denen es bei nicht gleichmäßiger oder zu lang andauernder Erhitzung zu Grobkornbildung oder der Herausbildung von Mischkristallen kommen kann, wodurch die positiven Eigenschaften des Stoffes negativ verändert werden.
Bisherige Fügeverfahren wie „Self-Propagating-High-Temperature-Synthesis“ (SHS) liefern in diesem Zusammenhang keine zufrieden stellenden Ergebnisse. Es treten dabei stets unerwünschte Gefügeveränderungen auf, eine grobkörnige Struktur, bis hin zu Rissen machen das entstandene Produkt nutzlos.
-Revolution durch Nanotechnologie-
Die von der amerikanischen Firma RNT patentierte Nanofoil® ist eine vielschichtige Folie aus mehreren tausend alternierend aufgebrachten, nanoskaligen Schichten aus Aluminium (Al) und Nickel (Ni).
- Reaktionsablauf in der Nanofoil® (Quelle: die Autoren)
Bei Aktivierung durch einen elektrischen, mechanischen oder auch thermischen Impuls wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt, bei der sich Al und Ni zu AlxNiy verbinden.
Anders als bei den frühen Verfahren zum Schweißen von Eisenbahnschienen ist es durch die Nanofoil® möglich die exotherme Reaktion sehr kontrolliert, vorhersehbar und effizient ablaufen zu lassen. Durch die 25-90 nm dünnen Schichten wird die Schmelztemperatur der Reaktanten deutlich herabgesetzt und zudem eine signifikant höhere Reaktionsgeschwindigkeit erreicht. Durch Ausnutzen des sogenannten Größeneffekts kann die Reaktion bereits bei Raumtemperatur in Gang gesetzt werden, ohne die zu fügenden Teile vorher erhitzen zu müssen.
Nach Zünden der Reaktion werden lokal und innerhalb von Tausendsteln einer Sekunde bis zu 2000°C freigesetzt. Durch Variation der Zusammensetzung der Folie und der Dicke der einzelnen Lagen kann die Temperatur und die frei werdende Energie kontrolliert und gezielt eingesetzt werden.
Diese Eigenschaft macht die Nanofoil® zu einem idealen Energielieferanten für Fügevorgänge hochsensibler Bauteile und -stoffe. Sie ermöglicht ein "kaltes" Lötverfahren.
- Aufbau zum Fügen mit Nanofoil® (Quelle: Fachgebiet Fertigungstechnik, TU-Ilmenau)
Wie bei den herkömmlichen Lötverfahren werden auch bei dem "kalten" Löten zwei Teile durch ein Lot verbunden. Das Lot auf Silber-, Kupfer- oder Aluminiumbasis ist als eine dünne Schicht im µm-Bereich auf die Nanofoil® aufgetragen. Die Beschaffenheit des Lots kann je nach zu fügenden Werkstoffen variiert werden um eine optimale Benetzung der Oberfläche des Werkstoffs und damit die Festigkeit der Verbindung zu gewährleisten.
Die kurze aber hohe Hitzeentwicklung bei der Reaktion stellt sicher, dass lediglich das Lot und die äußersten Randbereiche des Werkstoffs beeinflusst werden. Längeres Erhitzen der gesamten zu fügenden Teile und des Lotes werden damit überflüssig.
Ein einmaliger Impuls von Außen reicht, um die Kettenreaktion zu starten, weitere Energiezufuhr ist nicht mehr nötig. Mit diesem Verfahren umgeht man das Risiko, Bauteile durch Hitzeeinwirkung zu beschädigen oder mögliche instabile Verbindungen zweier sich unterschiedlich ausdehnender Stoffe. Ein weiterer Vorteil: durch die lokal begrenzte Erhitzung vermeidet man potenzielle Verunreinigungen der zu fügenden Werkstoffe.
Diese Effekte erklären die primären kommerziellen Anwendungsgebiete im Bereich der Mikrochipproduktion, der Befestigung von Sputtertargets in der Dünnschichttechnik sowie der Panzerung von Fahrzeugen, bei welcher Stahl und Keramik gefügt werden.
- Neue Anwendungsgebiete erschließen -
Damit diese innovative Technologie für die Industrie in größerem Umfang nutzbar wird, bedarf es weiterer Forschung, um Richtlinien und Normen, ob und unter welchen Umständen ein Einsatz der Nanofoil® sinnvoll ist, definieren zu können. Im Fachgebiet Fertigungstechnik an der Fakultät Maschinenbau der TU Ilmenau führt deshalb ein Forscherteam intensive Belastungs- und Beschaffenheitstests durch, um der Industrie somit die Entscheidung für die Nanofoil® zu erleichtern und planbar zu machen. Neben Zugversuchen werden die Fügezonen der Werkstoffe einer metallografischen Analyse unterzogen.
- Versuchsaufbau bei Belastungstest (Quelle: die Autoren)
Mit den Versuchsdaten soll dann ein Richtlinienkatalog erstellt werden, mit dem es möglich ist, genau vorherzusagen, wie sich die Nanofoil® zum Fügen der entsprechenden Werkstoffe eignet und wo die jeweiligen Belastungsgrenzen liegen. Bisher wurden neben herkömmlichen Metallen auch Leichtmetalllegierungen und hochfeste Werkstoffe wie Titan in die Versuche mit einbezogen. Unterstützt wird dieses Projekt von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) und der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS. Es wird viel Wert auf die Kooperation mit vor allem mittelständischen Unternehmen gelegt, die einerseits mit konkreten Problemen und Ideen an die Forschenden herantreten können aber auch direkt von den Ergebnissen der Analysen profitieren.